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        一款便于攜帶心率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

        2018-05-14 16:31:33袁紅梅
        關(guān)鍵詞:顯示器報(bào)警單片機(jī)

        袁紅梅

        摘要:設(shè)計(jì)了一款便于攜帶的小型心率測(cè)量?jī)x器,其信號(hào)的采集設(shè)備為紅外對(duì)管傳感器,采用最小單片機(jī)系統(tǒng)作為核心控制器,使用0,96寸的OLED屏幕顯示心率,且當(dāng)心率不在人體正常心率范圍內(nèi)時(shí),能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

        關(guān)鍵詞:紅外對(duì)管;單片機(jī);顯示器;報(bào)警

        0引言

        近年來,根據(jù)各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),由于各種因素并存導(dǎo)致每年有相當(dāng)多的人死于心臟病。而心臟出現(xiàn)問題時(shí),心率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變,因此如能及時(shí)測(cè)量心率,發(fā)現(xiàn)生命體征異常,將能大大提高搶救病人的成功率。目前市場(chǎng)上流行的心率測(cè)量?jī)x品種較多,但大多都是采用壓力傳感器來采集心率信號(hào),再送至相應(yīng)電路處理。這種心率測(cè)量?jī)x器雖然性能較穩(wěn)定,但是其體積較大,比較笨重,不便于攜帶,因此本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款便于攜帶的輕便的心率測(cè)量?jī)x,使用戶能實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量心率。

        1設(shè)計(jì)原理

        目前市場(chǎng)產(chǎn)品中心率測(cè)量方法主要分為動(dòng)脈血壓法、心電信號(hào)測(cè)量法(ECG)、光電心率測(cè)量法(PPG)三種,考慮到便于攜帶,人體舒適度、成本等因素,本設(shè)計(jì)采用了光電心率測(cè)量法。由于人體血液濃度一直處于變化狀態(tài),其變化頻率與心臟擴(kuò)張與收縮頻率一致。當(dāng)心臟出現(xiàn)收縮時(shí),人體血管里的血液濃度高,此時(shí)透明度低,紅外對(duì)管的接收管處于截止?fàn)顟B(tài),電路無電流流過,因此輸出幅度較大的電壓:同樣,當(dāng)脈搏擴(kuò)張時(shí),人體血管內(nèi)血液濃度低,紅外發(fā)射管發(fā)射的光比較容易透過血管,此時(shí)紅外對(duì)管接收管因正偏導(dǎo)通,電路輸出較低的電壓信號(hào)。信號(hào)采集電路采集此隨心臟擴(kuò)張與收縮變化的電信號(hào),并將此送入單片機(jī)進(jìn)行處理,最終計(jì)算出人的心率值,通過OLED顯示屏顯示。

        2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        根據(jù)系統(tǒng)功能要求,本設(shè)計(jì)主要包括光電傳感模塊、信號(hào)采集處理模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、蜂鳴報(bào)警模塊及電源模塊等部分。

        光電式傳感器的作用是把光信號(hào)通過接收管轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而便于電子線路分析處理。信號(hào)處理模塊的任務(wù)是將從前面模塊獲得的低頻電信號(hào)進(jìn)行處理,包括濾除直流成分、兩級(jí)信號(hào)放大、半波整流去除負(fù)脈沖,RC濾波,得到與心臟跳動(dòng)規(guī)律一致的低頻正脈沖信號(hào)。單片機(jī)控制模塊將信號(hào)采集模塊輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理,從而測(cè)得心率。單片機(jī)控制模塊由C8051F410、外部中斷、外部晶振等組成。顯示模塊任務(wù)是,顯示測(cè)得的心率數(shù)據(jù)。蜂鳴報(bào)警模塊的作用是:當(dāng)測(cè)得的心率值超過正常值時(shí),電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。最后,各模塊工作需要能量,它們的能量都由電源模塊集中提供。本設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

        3硬件設(shè)計(jì)

        3,1光電傳感器模塊

        綜合考慮各方面因素,本模塊主要由紅外對(duì)管光電傳感器構(gòu)成。使用光電傳感器,能直接把人體脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。人體指尖的動(dòng)脈比較發(fā)達(dá),因此信號(hào)采集直接采集人體指尖信號(hào),當(dāng)被測(cè)試者把指尖放置到紅外對(duì)管中間時(shí),紅外發(fā)射管發(fā)射出的光線穿透人體生物組織,并通過指骨反射送回紅外接收管,此時(shí)反射回來的信號(hào)強(qiáng)度隨著血液濃度變化規(guī)律一致,紅外接收管接收反射回來的光信號(hào),并把其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送給后級(jí)電路。

        3,2信號(hào)采集處理模塊

        本模塊包括信號(hào)放大和信號(hào)比較兩部分,電路如圖2所示。

        信號(hào)放大。由于人體的脈搏信號(hào)非常小,采集時(shí)容易產(chǎn)生很多干擾,不便于處理,因此,對(duì)于采集到的電信號(hào)需要進(jìn)行濾波、整形、放大等處理。電容C36作用,隔直通交,濾除采集到的無用的直流信號(hào),保留隨脈搏變化的交流信號(hào),此信號(hào)較弱,需送入放大電路放大成較強(qiáng)的信號(hào)。這里采用集成運(yùn)放μA741,根據(jù)其使用說明,在其周圍接上相關(guān)元器件,使其工作在運(yùn)放線性放大區(qū)。為了得到較大的電壓,本設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了兩次放大。VD1實(shí)現(xiàn)半波整流,便于后面電路處理。

        信號(hào)比較。本設(shè)計(jì)采用OP07進(jìn)行電壓比較。工作原理為:在集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端分別輸入兩個(gè)模擬信號(hào),一個(gè)為待測(cè)信號(hào),一個(gè)為基準(zhǔn)信號(hào),當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)幅度大于獲得的信號(hào)幅度時(shí),電路輸出0V電壓,反之則顯示約8V的高電平。所以當(dāng)待測(cè)信號(hào)不斷輸入時(shí),在集成運(yùn)放的輸出端則連續(xù)輸出幅度為8V和0V的矩形波信號(hào),將此此信號(hào)進(jìn)行分壓,送入單片機(jī)處理。

        3.3單片機(jī)控制模塊

        本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)8051F410,構(gòu)成最小系統(tǒng),信號(hào)來自于信號(hào)采集處理模塊INT,MCU設(shè)置成負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式。當(dāng)脈沖信號(hào)出現(xiàn)下降沿時(shí),將觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷,進(jìn)入獲取定時(shí)器計(jì)數(shù)值,之后清除定時(shí)器計(jì)數(shù)值,讓定時(shí)器從0開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖下降沿出現(xiàn)時(shí),再次讀取定時(shí)器數(shù)值,此數(shù)據(jù)即為相鄰兩次心跳間隔周期,最后經(jīng)過單片機(jī)程序計(jì)算出人體心率值。電路如圖3所示。

        3.4顯示、報(bào)警模塊

        根據(jù)本設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn),并綜合分析市場(chǎng)上各類顯示器,綜合其優(yōu)缺點(diǎn),最終選定0.96寸的OLED為顯示器。其體積非常小、因此重量很輕,性能很穩(wěn)定,價(jià)格低,非常適合日常攜帶。因此本設(shè)計(jì)中OLED的3腳、4腳、5腳、6腳、7腳分別與單片機(jī)I/O口P1,3,P1,4,P1,5,P1,6,P1,7對(duì)接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

        根據(jù)資料顯示,健康人體的心率值在每分鐘60-120之間,當(dāng)心率值超過120或小于60時(shí),單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào),使蜂鳴器報(bào)警。由于單片機(jī)控制器的引腳輸出電流的能力較弱,不能自己驅(qū)動(dòng)這些元件,因此需要在單片機(jī)的輸出端配接三極管,實(shí)現(xiàn)功率放大,使其輸出功率足夠驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響。

        3.5電源模塊

        電源模塊采用鋰電池輸出3.3V電壓,經(jīng)過TP5410升壓電路,輸出5V電源,該電源為OLED顯示電路、單片機(jī)控制電路提供能量。由于信號(hào)處理電路部分需要±10V的直流電源,因此,5V電源需要送入MAX232電源轉(zhuǎn)換電路,使其輸出±10V電源,為信號(hào)處理電路提供能量。

        4軟件設(shè)計(jì)

        主程序流程如圖4所示。心率計(jì)主板初始上電后,單片機(jī)將首先執(zhí)行初始化程序,其主要用來配置液晶顯示器的初始化代碼、wifi的初始化代碼及單片機(jī)外設(shè)中的定時(shí)器配置代碼。設(shè)置外部中斷為下降沿觸發(fā)方式并開啟外部中斷,當(dāng)有心率信號(hào)輸入時(shí),產(chǎn)生外部中斷,進(jìn)入外部中斷程序,此時(shí)獲取定時(shí)器累計(jì)的時(shí)間,包括定時(shí)器計(jì)數(shù)值、定時(shí)器TH0和TL0的值,通過計(jì)算獲取心率,清除定時(shí)器計(jì)數(shù)值、定時(shí)器TH0和TL0的值,以便下次外部中斷進(jìn)入時(shí)再次獲取脈沖的間隔時(shí)間。當(dāng)有外部中斷產(chǎn)生時(shí),在主程序中執(zhí)行心率數(shù)據(jù)處理,處理方式為,通過計(jì)算相鄰兩次心率出現(xiàn)的間隔時(shí)間來獲得被測(cè)人員心率值。

        5結(jié)束語(yǔ)

        本設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)是信號(hào)的提取與分析處理以及單片機(jī)的控制電路的設(shè)置。采集人體心率信號(hào)時(shí)使用了紅外對(duì)管,因?yàn)槿梭w血液濃度隨著心臟擴(kuò)張與收縮而發(fā)生相應(yīng)的變化,紅外對(duì)管就采集到這個(gè)變化的信號(hào),并把它轉(zhuǎn)換成便于電路處理的電信號(hào)。隨后對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、比較等處理,篩選出與脈搏變化規(guī)律一致的電信號(hào),并將其送至最小單片機(jī)系統(tǒng),經(jīng)過單片機(jī)處理后,由顯示器顯示心率數(shù)值,并附帶報(bào)警功能。此款心率計(jì)使用了貼片單片機(jī)芯片,使用了0.96寸的OLED,因此其體積小也便與攜帶。

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